Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN NGỌC THƯỞNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HĨA CHẤT CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ NINH THUẬN, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN NGỌC THƯỞNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HĨA CHẤT CƠNG NGHIỆP Kỹ Thuật Điện Chun ngành: Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 60520202 TS Vũ Minh Quang NINH THUẬN, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Trần Ngọc Thưởng i LỜI CÁM ƠN Trong trình thực đề tài em gặp khơng khó khăn, với hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn thầy cô khoa đến đề tài em hoàn thành thời gian quy định Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Vũ Minh Quang, giảng viên môn “ Kĩ thuật điện ” Khoa Năng Lượng – Trường ĐH Thủy Lợi, người tận tình bảo hướng dẫn em trình làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cơ trường ĐH Thủy Lợi, gia đình bạn bè, người tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hoàn thành luận văn Dù cố gắng đề tài tránh khỏi khiếm khuyết, mong nhận đóng góp ý kiến quý Thầy Cô để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU: .ix Tính cấp thiết Đề tài: ix Mục đích Đề tài: x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN XUẤT HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu dây chuyền sản xuất cung cấp hố chất cơng nghiệp : 1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất cơng nghiệp : 1.3 Dây chuyền sản xuất hóa chất cơng nghiệp điển hình 1.3.1 Sơ đồ: 1.3.2 Nguyên lí làm việc : CHƯƠNG 2.1 Giới thiệu tổng quan PLC : 2.1.1 2.2 Khái niệm PLC : .8 Giới thiệu PLC S7-1200 : 11 2.2.1 2.3 GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200 Phần cứng PLC S7-1200 13 Phần mềm điều khiển lập trình : 15 2.3.1 Giới thiệu: 15 2.3.2 Ứng dụng : 16 2.3.3 Khả làm việc : 17 CHƯƠNG 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học điều khiển mức chất lỏng 18 3.1.1 3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 18 Định nghĩa điều chỉnh PID 18 Mơ hình tốn học điều khiển mức chất lỏng .22 3.2.1 Mơ hình điều khiển mức chất lỏng 22 3.2.2 Đối tượng van tuyến tính: 23 3.2.3 Đối tượng bình mức: 23 3.2.4 Đối tượng cảm biến siêu âm: 25 iii 3.2.5 Sơ đồ mơ hình toán học điều khiển mức chất lỏng 25 3.2.6 Tìm thơng số PID 25 CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 28 4.1 Biểu đồ chức 28 4.2 Chương trình điều khiển: 30 CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI 45 5.1 Giới thiệu giao diện giám sát HMI 45 5.2 Giới thiệu incc Pro essional 47 5.2.1 Tổng quan 5.2.2 Chức phổ biến 5.3 in CC: .47 in CC 48 Thiết kế giao diện 50 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 52 6.1 Mô chế độ tự động .52 6.2 Mô chế độ Tay: 57 6.3 Kết luận 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bình chứa đựng hố chất cơng nghiệp Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất .2 Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất cơng nghiệp Hình 1.4: Van điều khiển tuyến tính điện Ginice Korea Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lập trình Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát CPU 10 Hình 2.3: PLC S7 – 1200 13 Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước 14 Hình 2.5: Giao diện làm việc TIA Portal 15 Hình 3.1: Bộ điều khiển PID khơng phụ thuộc 18 Hình 3.2: Bộ điều khiển PID phụ thuộc 19 Hình 3.3: Bơng thức xác định giá trị hệ số Ki, Kp, Kd 21 Hình 3.4: Mơ hình điều khiển mức chất lỏng 22 Hình 3.5: Mơ hình hàm truyền đạt 23 Hình 3.6: Sơ đồ khối mơ hình toán học điều khiển mức chất lỏng 25 Hình 3.7: Đáp ứng ngõ ứng với hệ số Ku = 0.043, Ki=Kp=0 26 Hình 3.8: Đáp ứng ngõ ứng xác định thông số PID 26 Hình 3.9: Đáp ứng ngõ ngõ vào tăng giá trị 27 Hình 3.10: Đáp ứng ngõ ngõ vào giảm giá trị 27 Hình 4.1: Biểu đồ chức 29 Hình 4.2: Khối PID S7-1200 30 Hình 4.3: Bảng cài đặt thông số PID .31 Hình 4.4: Bảng nhập thơng số PID 32 Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sót thiết kế HMI 46 Hình 5.2: Tạo gán thuộc tính cho nút STOP 50 Hình 5.3: Tạo gán thuộc tính cho động Pump 50 Hình 5.4: Tạo gán thuộc tính cho I/O field 51 Hình 5.5: Tạo gán thuộc tính cho Biểu đồ 51 Hình 6.1: Bơm chạy 52 Hình 6.2: Bình đầy mà bình chưa đầy 53 Hình 6.3: Hệ thống gia nhiệt hoạt động 53 Hình 6.4: Gia đủ nhiệt, bơm bơm hoạt động 54 Hình 6.5: Khi bơm 3, ngừng bơm, khuấy hoạt động 90s 54 Hình 6.6: Bơm hoạt động đẩy sản phẩm vào bình chứa 55 Hình 6.7: Van tuyến tính mở 55 Hình 6.8: Bộ PID hoạt động có hóa chất 56 Hình 6.9: Bộ PID hoạt động đủ mức hóa chất .56 v Hình 6.10: Mơ chế độ tay nhấn BƠM 57 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Định nghĩa biến vào sử dụng .32 Chương trình điều khiển 45 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT (Xếp theo thứ tự A,B,C chữ đầu viết tắt) ĐHTL Đại học Thủy lợi IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LVThS Luận văn Thạc sĩ viii CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI 5.1 Giới thiệu giao iện giám sát HMI Trong công nghiệp giám sát quan sát hệ thống hay cơng việc cụ thể đó, để biết trạng thái hoạt động hay cố xảy hệ thống làm việc hay không Ta giám sát trực tiếp hay gián tiếp Giám sát trực tiếp người vận hành trực tiếp quan sát hoạt động hay trạng thái làm việc hệ thống Cơng việc địi hỏi người vận hành phải tỉnh táo , với dây chuyền lớn địi hỏi phải có nhiều người, tốn nhiều thời gian cho công việc khó bao quát tổng hợp được, dễ xảy sai sót Giám sát gián tiếp quan sát thông qua thiết bị ngoại vi kết nối với dây chuyền sản xuất thơng qua q trình liên kết liệu cập nhật liên tục Dữ liệu xử lí so sánh báo cho người vận hành thông qua việc hiển thị liệu âm hay hình ảnh, cảnh báo qua hình hiển thị : máy tính, hình hiển thị lập trình với việc giám sát gián tiếp giúp người vận hành cần ngồi bàn điều khiển hay phịng máy quan sát cách tổng quát hệ thống sản xuất nhà máy Rút ngắn thời gian quan sát, tổng hợp nhanh, giảm nhân lực từ hạn chế sai sót q trình giám sát Giao diện giám sát HMI siemens mơ hình giám sát gián tiếp, người vận hành máy cần ngồi bàn điều khiển vận hành hệ thống Các liệu hệ thống s cập nhật liên tục hình; đơn giản gần gũi mà khơng phần hiệu Trước tiên bật Simulation lên để đồng liệu biến tag với Main, sau khởi chạy chương trình mơ bình thường để biết trạng thái mơ biến Mở hình làm việc giao diện HMI kiểm tra lỗi thiết kế có bị sai sót 45 Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sót thiết kế HMI Khi xuất hộp thoại thơng báo việc hồn tất kiểm tra, biên dịch với lỗi - dự án “ Compiling completed (errors : 0; warning: 0) ”, ta tiến hành chạy mơ để tới hình giao diện điều khiển in CC Khởi chạy hồn tất xuất giao diện điều khiển giám sát hệ thống trước thiết Trên người vận hành thao tác chọn chế độ, giám sát trình làm việc hệ thống, can thiệp vào trình sản xuất 46 5.2 Giới thiệu incc Pro ssional 5.2.1 Tổng quan Win CC: Phần mềm inCC Siemens phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Inter ace) phục vụ việc xử lý lưu trữ liệu hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa inCC chữ viết tắt indows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy Windows), nói cách khác, cung cấp cơng cụ phần mềm để thiết lập giao diện điều khiển chạy hệ điều hành Microsoft Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành giám sát, inCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với chức hữu hiệu cho việc điều khiển inCC kết hợp bí Siemens, cơng ty hàng đầu tự động hóa q trình, lực Microsoft, công ty hàng đầu việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngồi khả thích ứng cho việc xây dựng hệ thống có quy mơ lớn nhỏ khác nhau, inCC cịn dễ dàng tích hợp với ứng dụng có quy mơ tồn cơng ty việc tích hợp với hệ thống cấp cao MES (Manu acturing Excution System ) Hệ thống quản lý việc thực sản suất ERP (Enterprise Resource Planning) inCC sử dụng sở quy mơ tồn cầu nhờ hệ thống trợ giúp Siemens có mặt khắp nơi giới Ở Việt Nam hệ thống Siemens tài trợ đưa vào hệ đào tạo thức Tùy theo chức sử dụng mà người dùng chọn gói khác inCC lựa chọn sản phẩm Các gói inCC chia làm hai loại sau:  inCC Runtime Package (Viết tắt RT): chứa chức ứng dụng dùng để chạy ứng dụng inCC hiển thị, điều khiển, thông báo trạng thái, giá trị điều khiển làm báo cáo 47  inCC Complete Package (Viết tắt RC): bao gồm quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (con iguration licence) quyền để chạy ứng dụng (Runtime) Các gói có phiên khác tùy theo số lượng tham số làm việc (Powertag) mà đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536 Powertags Powertag tham số làm việc mà điều khiển theo dõi giá trị việc nối ghép với q trình thiết bị mà điều khiển giám sát Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp từ phiên có số powertag nhỏ lên cấp lớn hơn, họ mua phiên chuyên để cấp gọi Ngoài gói phần mềm trên, inCC Powerpacks inCC cịn có mơ đun nâng cao dành cho ứng dụng cấp cao ( inCC Options) mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on) Các inCC Option sản phẩm Siemens Automation and Drive (A&D) Các WinCC Add-on sản phẩm phận khác Siemens hay đối tác Siemens xây dựng lên nhằm mở rộng chức hay để phù hợp với loại ứng dụng 5.2.2 Chức phổ biến Win CC Khi sử dụng inCC để thiết kế giao diện Người Máy – HMI mạng Scada, inCC sử dụng chức phổ biến sau:  Graphics Designer: Thực dể dàng chức mô hoạt động qua đối tượng đồ họa chương trình inCC, indows, I/O, thuộc tính hoạt động (Dynamic)  Alarm Logging: Thực việc hiển thị thông báo hay cảnh báo hệ thống vận hành Nhận thông tin từ trình, hiển thị, hồi đáp lưu trữ chúng Alarm Logging giúp ta phát nguyên nhân lỗi  Tag Logging: Thu thập, lưu trữ xuất nhiều dạng khác từ trình thực thi  Report Designer: Tạo thông báo, kết Và thông báo lưu dạng nhật ký kiện 48  User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ liệu từ chương trình ứng dụng có khả trao đổi với thiết bị khác Trong inCC, cơng thức ứng dụng soạn thảo, lưu trữ sử dụng hệ thống Ngoài ra, inCC kết hợp với Visual C++, Visual Basic tạo hệ thống tinh vi phù hợp cho hệ thống tự động hóa chuyên biệt inCC tạo giao diện Người Máy – HMI dựa giao tiếp người với thiết bị, hệ thống tự động hóa thơng qua hình ảnh, số liệu, sơ đồ, Giao diện cho phép người dùng vận hành, theo dỏi từ xa cảnh báo, báo động có cố inCC chương trình thiết kế giao diện Người Máy thực cần thiết cho hệ thống tự động hóa cao đại 49 5.3 Thiết kế giao iện Thiết kế phím nhấn: vào mục Toolbox, mục Element, vào biểu tượng button, v hình, sau đổi tên STOP gán thuộc tính Press, Release, địa nút nhấn Tương tự ta làm cho tất nút nhấn Hình 5.2: Tạo gán thuộc tính cho nút STOP Thiết kế động cơ: vào mục Toolbox, phần Graphics, INCC Graphics Folder, Automation Equipment, Pumps, 256 colors Lấy động PUMP1 vào mục Animations gán hiệu ứng địa cho động Hình 5.3: Tạo gán thuộc tính cho động Pump 50 Các cảm biến làm tương tự Các ống dẫn, Bồn chứa tương tự vào mục Toolbox, phần Graphics, INCC Graphics Folder, Automation Equipment, Pipe Tank, 256 colors Các giá trị Setpoint, Present value vào mục Toolbox, mục Element, chọn I/O ield gán thuộc tính, địa Hình 5.4: Tạo gán thuộc tính cho I/O ield V biểu đồ, vào mục Toolbox, mục Control chọn Trendview, sau vào mục Trend gán địa cho mục cần hiển thị Hình 5.5: Tạo gán thuộc tính cho Biểu đồ 51 CHƯƠNG MƠ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 6.1 Mô chế độ tự động Kéo gạt “Mode” để vào chế độ “Auto” khởi chạy hệ thống thơng qua tích cực phím Start, bơm bơm đồng thời hoạt động : Hình 6.1: Bơm chạy Bơm bơm bơm đến nhận tín hiệu bình bình đầy ngừng bơm thơng qua việc tích cực cảm biến báo đầy T1F( báo đầy bình 1) T2F( báo đầy bình 2), bình đầy trước (T1F tích cực) mà bình chưa đầy bơm ngắt, bơm tiếp tục hoạt động bình đầy ngược lại : 52 Hình 6.2: Bình đầy mà bình chưa đầy Khi bình bình đầy, bơm bơm dừng hoạt động, hệ thống thực bước gia nhiệt : Hình 6.3: Hệ thống gia nhiệt hoạt động Gia nhiệt tới giá trị nhiệt độ đặt (= 60°), báo nhiệt độ tích cực hệ thống s chuyển sang bước tiếp theo, bơm bơm cấp hóa chất vào bình 3, đồng thời động khuấy hoạt động Trong bước này, bình cạn bơm ngừng bơm, 53 bơm hoạt động bình thường ngược lại Nếu có tín hiệu đầy từ bình tín hiệu cạn bình bơm s ngắt chuyển sang bước : Hình 6.4: Gia đủ nhiệt, bơm bơm hoạt động Hình 6.5: Khi bơm 3, ngừng bơm, khuấy hoạt động 90s 54 Hình 6.6: Bơm hoạt động đẩy sản phẩm vào bình chứa Khi mà bình cạn bình đầy Bơm dừng Khi có chất lỏng bình chứa 4, T4E tác động, Van tuyến tính XV303 mở ra, góc mở điều khiển cho đạt giá trị mức chất lỏng cài đặt, đồng thời đọc giá trị mức chất lỏng thông qua cảm biến mức báo về, sau s tính xử lý sai số, tăng giảm góc mở van để đạt mức chất lỏng mong muốn, chất lỏng s rót vào bồn đủ mức van tuyến tính đóng lại Hình 6.7: Van tuyến tính mở 55 Hình 6.8: Bộ PID hoạt động có hóa chất Hình 6.9: Bộ PID hoạt động đủ mức hóa chất Khi cảm biến T4E tác động báo hết nhiên liệu, hệ thống s reset quay trở lại bước để tiếp tục sản xuất cung cấp hóa chất hồn thành chu trình khép kín Dải đo cảm biến đo mức LT304, ngõ 4-20mA hiệu chỉnh mức hiển thị số từ (0-100 cm) tương đương với dải đo (5530-27648) Siemens Hệ thống cung cấp hoạt động có cho phép T304_ENABLE 56 6.2 Mô chế độ Tay: Khi cần hệ thống hoạt động chế độ can thiệp người vận hành, ta chuyển hệ thống sang chế độ tay để trực tiếp tham gia điều khiển đầu đưa hệ thống cân Lưu ý trước chuyển chế độ ta nên reset đầu lại để tránh trường hợp phát sinh lỗi hệ thống tốt Các nút chế độ “ MAN ” liệt kê Panel điều khiển tay , chuyển gạt “AUTO ” sang chế độ MAN can thiệp vào giai đoạn hệ thống Các điều khiển khác tương tự điều khiển bơm Hệ thống bên cung cấp hóa chất hệ thống khép kín khơng can thiệp tay Hình 6.10: Mô chế độ tay nhấn BƠM 57 6.3 Kết luận  Kết cụ thể lý thuyết - Tìm hiểu PLC Simatic S7-1200: cấu trúc phần cứng, cấu trúc nhớ - Tìm hiểu phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình PLC S7-1200 - Sử dụng phần mềm MATLAP, tìm thơng số PID theo phương pháp Zigler Nichol cho hệ kín gồm bình mức van tuyến tính  Kết cụ thể thực nghiệm - Mơ MATLAP tính thơng số PID cho van tuyến tính - Thiết kế chương trình điều khiển ngơn ngữ LAD, cài đặt thông số PID cho PLC - Thiết kế giao diện HMI giám sát hệ thống điều khiển mức chất lỏng - Mơ chương trình đạt kết tốt  Hướng phát triển - Đề tài sở làm tiền đề cho ứng dụng điều khiển mức sử dụng van với điều khiển PID qua PLC phịng thí nghiệm trường CĐ nghề Ninh Thuận sau - Chương trình tự dị tìm thơng số PID cho hệ thống điều khiển mức chất lỏng 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Giáo trình PLC PLC nâng cao - Đại học Thuỷ lợi [2] Châu Chí Đức, “Làm quen với S7 – 1200, kỹ thuật điều khiển lập trình PLC Simatic S7 -1200” [3] Ths Nguyễn Hữu Quang, “ Thiết kế hệ thống điều khiển” [4] Vũ Văn Đô, “đồ án điều khiển giao tiếp máy tính” [5] Điều khiển ứng dụng, Tài liệu dịch, ĐH Thủy Lợi Tiếng Anh [6] K T Erickson, Programmable Logic Controllers: An Emphasis on Design and Application, Dogwood Valley Press, 2005 (required) [7] K T Erickson, Programmable Logic Controller Notes for EE235 (on Blackboard: http://blackboard.umr.edu under EE 235 “Course Documents”) [8] Programmable Logic Controllers: An Emphasis on Design and Application, K T Erickson, , Dogwood Valley Press, 2005 59 ... hóa chất ngày tăng với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chất năm 15% Từ thực tiễn đó, em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HĨA CHẤT... khiển mức chất lỏng Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu mơ hình điều khiển giám sát mức chất lỏng máy tính PLC S71200 - Nghiên cứu việc sử dụng inCC điều khiển giám sát - Nghiên cứu. .. việc điều khiển mức chất lỏng thuật toán điều khiển PID phù hợp Hệ thống điều khiển dùng giải thuật PID ứng dụng thuật tốn điều khiển q trình : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển